酞酸酯对土壤污染及其生态毒理效应研究进展

高 军，于小彬，张 裕，宗春琴，周夏曦

(淮阴工学院生命科学与化学工程学院，江苏淮安223003)

0 引言

酞酸酯(Phthalic acid esters，PAEs)，又称邻苯二甲酸酯，是邻苯二甲酸类重要的衍生物，是目前世界上生产量大、应用面广的人工合成有机化合物之一，广泛应用于化学工业，是塑料、农药、驱虫剂、化妆品、香味品、润滑剂等产品的生产原料，其中用量最大的是作为PVC塑料的增塑剂，可占PVC总量的67%。仅2004年全球PAE年产量就达到600万吨，我国仅2006年与2007年PAEs增塑剂产量就分别达到125万吨和145万吨［1］。由于PAEs与塑料基质之间没有形成化学键，而是以氢键与范德华力联结，彼此保留各自相对独立化学性质，随着时间的推移，会向周围空气环境中释放与转移，或者接触到合适的有机溶剂也会溶解出来，进入各类环境介质。由于酞酸酯在环境中普遍存在，且具有高亲脂性、抗生物降解性及内分泌干扰性等特点，易于在人体内蓄积［2］，给人体健康造成潜在的健康风险，因此被称为“第二个全球性PCB污染物”。美国 EPA将其中邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)以及邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)、邻苯二甲酸二正辛酯(DOP)等六种酞酸酯列入优控污染物黑名单，我国也将DEP、DOP、DMP三种酞酸酯列入优控有毒有机污染物黑名单。

1 土壤中的酞酸酯污染现状

随着工业化、城市化、农业高度集约化进程的加快，越来越多的酞酸酯类化合物进入农田土壤，易与土壤有机质结合，是土壤中普遍存在的内分沁干扰素类优控有机污染物。Zeng等［3］对广州近郊农田土壤的调查发现，在40个土样中发现了酞酸酯的存在，16种酞酸酯最高含量达到33．6 mg kg-1(dw);蔡全英等［4］研究表明，广州、深圳地区蔬菜基地表层土壤的27个检测样品中几乎都检测出DEHP与DBP，两者占PAEs总量的90%以上，其中DEHP最高达到25．11 mg kg-1(dw)。在哈尔滨、邯郸以及江汉平原等农田土壤调查中均发现含量不等的酞酸酯存在，其中尤以DBP与DEHP较为常见，同时也是含量相对较高的酞酸酯，其中在江汉平原的表层土壤中∑16PAE平均值为926．8 ng g-1，最高值达到 2515．7 ng g-1［1，5］。而在洪泽湖周边农田土壤中也发现了含量不等的酞酸酯污染，且土壤污染程度与土地利用方式密切相关［6］。

根据Cai等［7］研究，被美国环保署列为优控污染物的6种酞酸酯在我国不同区域的土壤中多能检测到，6种酞酸酯的总浓度值为0．89～46 mg kg-1，大部分高于丹麦、荷兰等地的土壤含量，说明我国土壤已经受到酞酸酯污染。我国至今还没有酞酸酯污染土壤的评价标准，但将现有的污染数据与美国EPA标准相比，我国大部分土壤的污染处在相对较低水平，但也出现个别地方污染较为严重的现象。［4］

2 土壤中酞酸酯的主要来源

2．1 大气沉降

大气中的酞酸酯可以附着于大气颗粒物通过大气沉降进入土壤［1］，有研究表明，在广州∑16PAEs的沉积通量在 3．41-190 μg m-2day-1，且与颗粒物沉积通量之间显著相关。同样在南京、天津等地均发现大气中酞酸酯的存在，其浓度与人类活动密切相关，大气中酞酸酯的含量往往还受到季节变化以及地区工业生产方式的影响，且DBP与DEHP是含量最大的两种同系物［8-10］。朱媛媛等［9］对东北某钢铁厂及其周边区域的大气与土壤中酞酸酯两相迁移情况进行了研究，发现大气与土壤中酞酸酯含量组成两者变化趋势相同，说明两者相互影响。

2．2 污水灌溉

应用含有酞酸酯的工业污水、生活污水以及医疗过程中产生的各种污水对农田土壤进行灌溉，直接将酞酸酯带入土壤，并与土壤有机质等结合滞留于土壤中。对现阶段我国长江、黄河以及其他河流的水质调查发现，酞酸酯已经成为水体中常见的有机污染物之一，其中在黄河小浪底至东明桥段，5种酞酸酯在水相中的浓度测定值在3．99 × 10-3～ 45．45 × 10-3mg L-1［11］，而李维美等［12］对长江下游南京段采样测定发现，6种酞酸酯总浓度在 1．34 ～ 2．81 μgL-1，一些行业废水中酞酸酯化合物的含量在几个μg L-1到几百个μg L-1，有的甚至高达50 mg L-1以上。广州联兴某蔬菜生产基地采样含有酞酸酯的污水灌溉，导致土壤中酞酸酯含量远高于附近其他蔬菜生产基地土壤含量［4］。

2．3 垃圾析出

电子垃圾的随意堆放常成为土壤酞酸酯污染源，张中华等［3］对浙江台州某电子废物拆解场所附近土壤调查发现，在拆解点附近100 m内，对美国环保局优控的6种酞酸酯农田表层土壤总含量∑6PAEs在9．11 ～50．58 mg kg-1，离拆解点 1000 m 处，其含量在 2．63 ～17．55 mg kg-1，而对照点则低于检测限(nd)-7．15 mg kg-1。此外，居民生活废弃物中也存在含量不等的酞酸酯，特别是家庭生活中广泛使用的塑料垃圾袋等塑料制品废弃物，这些废弃物中的酞酸酯大部分逐步进入土壤等环境介质中［14］。

2．4 农用化学品与污泥使用

随着农业集约化程度的不断提高，农用化学品大量投入也是造成土壤酞酸酯污染的又一因素。Mo等［15］对22种广泛使用的农用肥料进行检测发现，DBP与DEHP在多数样品中均被检出，6种酞酸酯的总量在 1．17 ～2795 μg kg-1，平均含量在252 μgkg-1，其中 DBP与DEHP平均值分别为161μg kg-1和 74．2 μg kg-1，是其他酞酸酯含量的5倍之多。其次农用污泥中往往含有较高浓度的酞酸酯，在我国历来有将污泥作为肥料施用于农田土壤的传统。研究表明［16］，污泥的大量施用加剧酞酸酯在农田土壤中的污染水平。此外农业生产中塑料农膜的使用与农田土壤中酞酸酯含量有较强的相关性。大约87%的酞酸酯作为塑料增塑剂广泛存在于农膜中，其中DEHP大约占酞酸酯产量的1/4［14］，而我国目前塑料农膜的使用量年均已达到 220 万吨［17］。庞金梅等［18］对北京西郊农田土壤的调查发现，土壤中DEHP含量高出土壤背景值80余倍，PVC塑料薄膜覆盖60天后，表层土壤中DEHP含量可达1．34 mg kg-1。陈永山等［19］研究认为，农膜的使用与残破农膜在土壤中的残留是引起农田土壤污染的主要原因，且土壤中酞酸酯浓度与其受暴露的农膜的酞酸酯含量有一定的相关性。Kong等［20］对天津近郊农田土壤6种酞酸酯含量调查发现，∑6PAEs在四种土壤中的含量顺序为:菜园土壤＞荒地土壤＞大田土壤＞果园土壤。Gao和Zhou对洪泽湖周边土壤调查也发现，长期塑料大棚覆盖的土壤中酞酸酯含量明显高于酞酸酯在其他几种类型的土壤含量［6］。

3 酞酸酯污染土壤的生态效应

土壤具有独特的生态结构体系，是构成农业生态系统最复杂、最重要的组分，同时也是包含酞酸酯在内的大多污染物，尤其是一些有毒的、持久性的化学污染物在陆地生态系统中最大的库之一。对土壤环境污染生态毒理研究，可以对含量少、污染面广、毒性大且隐蔽性强的类似酞酸酯类的污染物生态毒性进行科学评判，对污染物的代谢毒性进行有效追踪。纵观以往对酞酸酯污染土壤生态毒理方面的研究，大多集中在以下三个方面。

3．1以受试植物或动物作为研究对象

选择生长于污染土壤环境中某一类植物或动物作为受试生物进行一系列试验，从单一的受试对象对酞酸酯污染毒理进行评价。Cai等［21］发现生长在PAEs污染土壤中的萝卜体内检测到PAEs存在。在以菜心(Brassica parachinensis)为供试植物，以DEP、DBP、DEHP为目标污染物研究土壤污染对植物吸收的影响时发现，菜心体内累积PAEs与土壤污染程度成正比，且根系吸收转运是菜叶中PAEs的主要来源［22］。同样以DBP与DEHP人工污染土壤进行试验发现，DBP更易于进入辣椒内，且无论根、叶、果实中，DBP含量也与土壤污染程度成正相关，同时随土壤污染程度增加，辣椒产量虽然没有明显的变化，但辣椒果实内Vc以及辣椒素含量相应下降，当土壤PAEs浓度40 mg kg-1时，辣椒果实中Vc与辣椒素含量分别下降20%左右［23］。土壤中酞酸酯的存在不仅影响植物品质，也会对植物种子萌发以及幼苗的生长产生影响［24］。目前有关酞酸酯在植物-土壤系统中的分配与累积以及对植物的影响方面的研究尚处于起步阶段，但从现有的研究可以看出土壤中的酞酸酯可以通过植物根系的吸收(吸附)进入食物链，从而影响农产品安全，威胁人体健康。

此外，蚯蚓是土壤污染物生态毒理研究常用的材料之一。有研究发现生长在DEHP污染土壤中的蚯蚓，其体重较对照组均有不同程度的下降，且下降程度与土壤中DEHP浓度呈现线性相关［25］。

3．2 以土壤酶活性变化表征土壤污染水平

土壤酶也是土壤生物学特性的重要组分，而且与土壤中植物根系以及土壤微生物关系密切，因此土壤酶活性的变化能较敏感地反映土壤环境的变化，在污染土壤的研究中一直受到关注，在PAEs污染土壤的研究中也不例外。秦华等［26］研究了DEHP污染土壤对土壤脱氢酶活性的影响，发现当土壤中DEHP含量为100 mg kg-1时，显著抑制土壤脱氢酶活性，在培养30天时抑制率达到30%以上。Wang等［27］的研究发现，DEHP对土壤过氧化氢酶有激活作用，磷酸酶在500和1000mg kg-1土壤污染水平下培养20天后，其活性显著高于低污染水平的土壤，而脲酶受到明显的抑制作用，转化酶在培养后期活性与DEHP土壤浓度之间呈现出明显的剂-效关系。但也有研究发现，磷酸酶受到DEHP的抑制，可能是由于供试土壤差异或者培养时间不一致所致［28］。Zhou等［29］利用人工湿地对DBP污染与酶活性变化关系进行了研究，发现脱氢酶、过氧化氢酶、磷酸酶、蛋白酶等活性在供试条件下受到激活，而脲酶、纤维素酶与β-葡萄糖苷酶活性受到DBP抑制。这些研究从一个侧面反映了酞酸酯污染土壤的生态毒理效应。但土壤酶尤其是胞内酶往往受到土壤微生物数量与种群类别等因素的影响，研究结果互有差异，同时土壤类型与使用管理方式也会影响土壤酶对污染物的响应。

3．3 土壤微生物生理生态水平的响应特征

土壤微生物对生境的污染胁迫要比在同一土壤环境中的动物和植物敏感得多，认为是最具潜力的评价土壤环境质量和生态毒理的生物学指标。陈强等［25］研究发现，土壤中细菌、放线菌和霉菌对DEHP污染土壤的响应存在较大差异，其中细菌在DEHP低浓度污染的土壤中数量呈现增加趋势，而在高浓度土壤中则有被抑制趋势。在土壤浓度50～1000 mg kg-1污染水平下，DEHP加入土壤后培养第三天，微生物生物量碳较对照有显著下降，而在10 mg kg-1污染水平下显著高于对照［27］。但在DBP/DEHP模拟污染土壤的研究中发现，土壤微生物生物量碳以及基础呼吸在10 mg kg-1污染水平下较对照无明显差异，但在较高污染水平下两者均与DEHP土壤浓度呈现较好的相关关系［30］，说明利用土壤微生物数量组成(细菌、放线菌、真菌)以及生物量、基础呼吸等基本生理指标可以用来表征酞酸酯土壤污染的生态环境效应。但土壤微生物本身不是孤立组分，在农田生态系统中受到生长的植物种类、土壤性质以及土地利用方式等因素的影响，因此要从土壤微生物角度来全面科学评价酞酸酯的生态毒理效应，需要从农田生态系统的整体角度综合衡量。

在污染土壤微生物生态多样性研究方面，近年来发展起来的利用BIOLOG法研究微生物功能多样性，利用PLFA技术研究土壤微生物群落组成多样性以及利用PCR-DGGE方法分析土壤微生物遗传多样性等用以分析土壤微生物多态性的技术方法已被广泛应用于诸如PAHs、PCBs等污染土壤的微生物生态研究中［31，32］。

有研究表明在不同酞酸酯污染水平下，土壤平均颜色变化率(AWCD)随时间增加的幅度不同，PAEs土壤浓度越高，AWCD值增幅越小，说明土壤微生物代谢活性受到PAEs的抑制作用越强。应用BIOLOG方法，能较好地区分不同酞酸酯污染程度下，土壤中微生物代谢活性与代谢类型［33］。但在利用PCR-DGGE对酞酸酯土壤微生物群落组成的研究方面鲜有报道，但能够利用该方法有效地筛选出具有酞酸酯降解能力的菌株，Yuan等［34］对沉积物中酞酸酯研究发现，利用PCR-DGGE方法能较好地区分降解能力不同的菌株。Liao等［35］也利用该方法分离到两株对DBP有降解能力的菌株 Deinococcus radiodurans和 Pseudomonas stutzeri。但PLFA分析方法在酞酸酯污染土壤的微生物群落多样性研究方面至今未发现有相关研究报道。

4 趋势

纵观以往的研究，目前的研究主要体现在三个方面:(1)在以动植物为测试生物时，现多是通过检测形态、生理指标来开展的，这些方法虽然在一定程度上能对污染物的生态毒理效应进行表征，但越来越多的研究认为污染物对生物的影响往往率先从分子遗传水平得到响应［36，37］。目前cDNA宏阵列(cDNA macroarray)技术及报告基因(Reporter-gene)技术已经在环境胁迫效应研究方面得到应用［38，39］，但迄今为止还没有发现将其应用于酞酸酯土壤污染的研究中。土壤动物中的蚯蚓历来是研究污染物生态毒理较为理想的靶生物，蚯蚓体内乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase，Ache)被广泛应用于环境污染物毒性监测中，其酶活性与污染程度之间有较好的剂量—效应关系［40］。目前作为分子生物标志物的细胞色素P450(CYP450)是一类亚铁血红素-硫醇盐蛋白的超家族，广泛分布于动物、植物和微生物体内，参与内源性物质和外源性物质包括药物和环境化合物在内的代谢。CYP450作为分子生物标志物可以灵敏地检测到环境中低剂量的潜在污染物，被广泛应用于毒理学研究中，其与外源污染物毒性之间存在明确的量—效关系［41］，因此生物机体内CYP450的含量或活性被用于环境污染的早期诊断，进而阐明污染物的作用机制。但这些方法在酞酸酯污染土壤的生态毒理效应研究中依然是空白。(2)在酞酸酯污染土壤酶活性研究方面，大多是集中在酶活性的末端含量指标表征上，为数不多的研究是从多种酶活性动力学变化特征与机理角度进行探讨［30，42］，从酶活性动力学变化特征探讨污染物对土壤生态效应应该成为酞酸酯污染土壤酶研究的发展方向。(3)在酞酸酯污染土壤微生物多态性研究技术方面，利用BIOLOG以及PCR-DGGE的等生理与遗传方法探讨酞酸酯污染土壤微生物种群结构多样性的研究仍处于起步阶段，而利用PLFA技术研究土壤微生物群落组成多样性至今尚未发现。

在研究层次方面，目前大多着眼于某一生物组分的一至数个生理指标对酞酸酯污染的生物响应，没有从土壤生物环境整体角度进行考量。越来越多的研究者认识到［43，44］:在农田生态系统层面，对生态系统中不同生态位的多种生物对酞酸酯的生物响应进行整体比较与分析，对更为科学客观探讨土壤污染物的生态毒理效应至关重要，因此从农田生态系统角度对酞酸酯污染土壤的生态毒性效应作全面整体性综合评价研究应该引起我国土壤环境工作者的重视。

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